Kinetic instabilities in extreme plasma physics: laboratory and astrophysical dynamics

09/09/2025

A física de plasmas extremos explora regimes em que campos eletromagnéticos intensos, níveis de radiação elevada e efeitos de eletrodinâmica quântica (QED) alteram de forma fundamental o comportamento da matéria. Estas condições ocorrem em alguns dos ambientes astrofísicos mais extremos, como pulsares, buracos negros e choques relativistas, e estão cada vez mais acessíveis em experiências laboratoriais envolvendo lasers de alta intensidade e feixes de partículas. Esta Tese investiga como a reação à radiação, através do arrefecimento por emissão sincrotrão e betatrão, reestrutura o espaço de fases e desencadeia instabilidades cinéticas numa variedade de condições extremas de plasma. Em primeiro lugar, mostramos que o arrefecimento sincrotrão em plasmas fortemente magnetizados conduz genericamente à formação de distribuições de momento anisotrópicas em forma de anel, instáveis à instabilidade ciclotrónica electrónica (ECMI). A reação à radiação mantém a inversão populacional e permite a emissão coerente prolongada para além da saturação clássica. Em segundo lugar, demonstramos que a radiação betatrão em plasma wakefields induz efeitos semelhante em feixes de alta energia, formando feixes em formato de donut com anisotropias no ângulo de inclinação. Estas características são confirmadas por teoria analítica e simulações tridimensionais de larga escala. Por fim, simulações no contexto da experiência Fireball no CERN demonstram como feixes relativistas de eletrões e positrões desenvolvem instabilidades coletivas em condições laboratoriais realistas, fornecendo os primeiros análogos diretos da dinâmica de plasmas de pares em ambientes astrofísicos. Em conjunto, estes estudos representam dois fios condutores interligados da física de plasmas extremos, o arrefecimento radiativo e a cinética de pares, e estabelecem as bases para uma teoria cinética de plasmas estruturados radiactivamente, fundamentada em resultados teóricos, simulações e experiências, e abrindo novas vias para a exploração de processos astrofísicos de alta energia em laboratório. Extreme plasma physics explores regimes where strong electromagnetic fields, intense radiation, and quantum electrodynamics (QED) effects fundamentally alter the behavior of matter. These conditions are found in some of the most energetic astrophysical environments, such as pulsars, black holes, and relativistic shocks, and are increasingly accessible in laboratory experiments using high-intensity lasers and particle beams. This Thesis investigates how radiation reaction, through synchrotron and betatron cooling, reshapes phase space and triggers kinetic instabilities across a range of such extreme plasma conditions. First, we show that synchrotron cooling in strongly magnetized plasmas generically leads to anisotropic, ring-shaped momentum distributions that are unstable to the electron cyclotron maser instability (ECMI). Radiation reaction sustains population inversion and enables prolonged coherent emission beyond classical saturation. Second, we demonstrate that betatron radiation in plasma wakefields produces similar structuring in high-energy beams, forming spatially "donut beams" with momentum pitch-angle anisotropies. These features are confirmed through analytical theory and large-scale three-dimensional simulations. Finally, simulations in the context of the Fireball experiment at CERN demonstrate how relativistic electron-positron beams develop collective instabilities under realistic laboratory conditions, providing the first direct analogues of astrophysical pair-plasma dynamics. Together, these studies represent two interconnected threads of extreme plasma physics, radiative cooling and pair-plasma kinetics, and lay the groundwork for a kinetic theory of radiatively structured plasmas, bridging theory, simulation, and experiment, and opening new paths toward probing high-energy astrophysical processes in the laboratory.

Authors in the community:

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  P

  Pablo Jaime Bilbao Santiago

  ist428858

Supervisors of this institution:

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  L

  Luís Miguel De Oliveira e Silva

  ist13387

101691661

Doutoramento em Física

physical-sciences - Physical sciences

Keywords

• Extreme plasma physics
• Synchrotron cooling
• Betatron radiation
• Pair plasmas
• Kinetic instabilities
• Física de plasmas extremos
• Arrefecimento síncrotron
• Radiação betatron
• Plasmas de pares
• Instabilidades cinéticas

eng - English

Instituto Superior Técnico

Financing entity

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Identifier for the funding entity: https://doi.org/10.13039/501100001871

Type of identifier of the funding entity: Crossref Funder

Number for the project, award or grant: UI/BD/151559/2021